Данная статья посвящена проектированию и анализу электрической схемы автомата отключения нагрузки. На основе анализа современной тенденции внедрения бытовой автоматики сделан вывод об актуальности разработки. Исходя из функционального назначения устройства поставлены цели проектирования автомата отключения нагрузки. Основная часть статьи посвящена анализу электрической схемы устройства. Обосновано применение в схеме автомата программируемого AVR-микроконтроллера и делается выбор в пользу ATtiny2313, после чего приведены его основные характеристики, позволяющие реализовать все необходимые функции автомата отключения нагрузки. Исходя из текущей экономической ситуации, дается ссылка на производителя возможного аналога выбранного микроконтроллера.
Ключевые слова: автомат отключения нагрузки, проектирование, микроконтроллер.
Настоящая работа посвящается анализу электрической схемы автомата отключения нагрузки и последующему ее моделированию. Проектируемый автомат отключения нагрузки позволяет организовать суточный цикл работы управляемого им исполнительного устройства, задавая в часах и минутах до восьми моментов его включения и выключения. Введённые значения хранятся в энергонезависимой памяти микроконтроллера прибора. Также устройство обеспечивает возможность включения или выключения исполнительного устройства вручную.
Главная цель, преследуемая при проектировании автомата отключения нагрузки, состоит в реализации следующих функций:
— подключение жидкокристаллического индикатора;
— коммутация питания нагрузки;
— возможность задания времени работы подключенного устройства.
При этом следует предусмотреть возможность организации питания устройства в двух вариантах:
— питание от сети переменного тока с использованием стабилизированного блока питания на постоянное напряжение +5 В, подключаемого к внешнему разъему устройства;
— питание от гальванической батареи из трех элементов типа ААА, устанавливаемой в корпус устройства.
Для управления работой блока может быть применен встраиваемый контроллер на базе микроЭВМ или AVR микроконтроллер, как это сделано в устройстве-прототипе. В качестве такого микроконтроллера может быть использован ATtiny2313, который, помимо исполнения в корпусе типа DIP, имеет так же исполнение в корпусе для поверхностного монтажа [1]. Такое решение позволяет экономить объем в блоке, упрощает организацию внутриблочной коммутации и позволяет снизить энергопотребление за счет отсутствия элементов, которые не требуются для реализации основных функциональных возможностей автомата выключения питания.
ATtiny2313A/4313 — экономичные 8-разрядные КМОП-микроконтроллеры, выполненные на основе улучшенной RISC-архитектуры AVR. За счет выполнения большинства инструкций за один цикл синхронизации ATtiny2313A/4313 достигают производительности близкой к 1 млн. оп. в сек. на каждый МГц тактовой частоты, тем самым позволяя разработчикам систем оптимизировать соотношение энергопотребления и производительности.
Ядро AVR объединяет в себе богатый набор инструкций с 32 рабочими регистрами общего назначения. Все 32 регистра напрямую подключены к АЛУ (арифметико-логическое устройство), что позволяет указывать в одной инструкции два разных регистра и выполнить эту инструкцию за один машинный цикл. В конечном счете, архитектура AVR, за счет 10 кратного превышения производительности по сравнению с обычными CISC микроконтроллерами, обладает большей эффективностью кода программы.
ATtiny2313 представляет собой микросхему с 20 выводами [1]. Выполняемая программа хранится в перепрограммируемом ПЗУ, куда она заносится с помощью программатора. Необходимые данные, переменные, результаты несложных расчетов и счетчики циклов хранятся в ОЗУ и теряются при выключении питания.
Микроконтроллер ATtiny2313 имеет технические характеристики, описанные в [1].
В условиях текущей экономической ситуации целесообразно было бы рассмотреть отечественные аналоги данного микроконтроллера. Одним из таких аналогов может являться микроконтроллер 1881ВГ4Т, производимый компанией «Интеграл». Ранее эта же компания производила практически полный аналог AT90S2313, но на данный момент в списке продукции его нет. К несчастью, на сайте производителя характеристики микроконтроллера 1881ВГ4Т не приводятся [2].
Для удобства настройки и отображения информации о текущем режиме работы устройства необходим графический жидкокристаллический индикатор. Микроконтроллер ATtiny2313 имеет встроенные средства управления ЖКИ, что позволяет подключать индикатор напрямую к микроконтроллеру, без использования регистра (рисунок 1) [3].
Единственным недостатком данной схемы является то, что в ней применяются две раздельные линии питания. Это связано с особенностями конструкции графического дисплея и необходимостью питать схему, формирующую изображение и подсветку дисплея.
Включение подсветки происходит по сигналу микроконтроллера, однако, если две указанных цепи питания не будут развязаны между собой, то попытка подключения гальванической батареи приведет к тому, что она будет быстро терять заряд, разряжаясь через подсветку ЖКИ.
Рис. 1. Подключение к микроконтроллеру AT90S2313 ЖК индикатора
Питание схемы, таким образом, должно осуществляться от стабилизированного источника +5 В или гальванического элемента напряжением +4,5 В. При наличии гальванической батареи GB1 отключение внешнего питания не должно вызывать нарушения настроек автомата. Но, чтобы избежать указанного выше эффекта потери заряда необходимо в цепь питания включить диод. Диод VD1 не позволяет батарее разряжаться через цепи подсветки ЖКИ и внешний источник питания (когда он подключён, но не работает) и уменьшает напряжение этого источника до 4,5 В.
Полученная в итоге схема автомата отключения питания приведена на рисунке 2.
Моделирование электрической схемы устройства проводится на следующем этапе, непосредственно предшествующем изготовлению опытных образцов. Целью моделирования является подтверждение правильности теоретических выводов и способности автомата отключения питания выполнять свои функции.
Основной проблемой при создании модели электрической схемы устройства в известных пакетах САПР является вопрос наличия в базах программы готовых моделей всех необходимых элементов схемы. В первую очередь это относится к активным элементам и микросхемам, поскольку их модели не могут быть заменены аналогичными универсальными моделями, как это может быть сделано для пассивных элементов. Самостоятельная же разработка моделей микросхем, а тем более микроконтроллеров по объему работ сопоставима с тематикой отдельного исследования и часто затруднена в связи с тем, что производителем раскрываются не все необходимые параметры [4].
Рис. 2. Электрическая принципиальная схема автомата отключения нагрузки
В связи с этим при разработке модели электрической схемы автомата был сделан ряд допущений. Так, энкодер, для упрощения модели, был заменен на кнопки без фиксации. Пьзоизлучатель HA1 был заменен на эквивалентное сопротивление для возможности учета протекающего тока. Жидкокристаллический индикатор HG1 был заменен на резисторы, эквивалентные входным сопротивлениям по каждому выводу.
Для проведения моделирования схемы был выбран программный пакет Altium Designer. К сожалению, в доступных базах программы не было обнаружено модели микроконтроллера AT90S2313, пригодной для функционального моделирования. В настоящее время вопрос доступности модели данного микроконтроллера для использования в САПР Altium Designer прорабатывается.
В то же время, для целей проверки электрических параметров схемы, данный микроконтроллер не может быть исключен из модели. Однако поскольку он является, в основном хранилищем настроек и узлом управления коммутацией, можно заменить его эквивалентной схемой, как описано в [1]. Для этого было решено подключить к сигнальным линиям, подводимым к выводам микроконтроллера, входные сопротивления этих выводов, денные о которых приводятся производителем.
Полученная модель показала свою работоспособность. В результате проведенного моделирования электрической схемы, построенной с принятыми допущениями, получены данные, незначительно отличающиеся от результатов теоретического расчета режимов элементов. В настоящее время проводится подготовка к изготовлению опытного образца для проведения натурных замеров.
Литература:
- Сайт производителя «ATMEL» [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.microchip.com/en-us/product/ATmega2313 — (Дата обращения 24.12.2023).
- Холдинг «Интеграл» [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://integral-catalog.by/produktsiya/integralnye-mikroskhemy/standartnye-tsifrovye-logicheskie-ims/kmop-seriya-in74hcxxxn-d-dw/in74hc164ad.html?sphrase_id=29460 — (Дата обращения 24.12.2023).
- Сайт производителя «WINSTAR» [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.winstar.com.tw/ru/products/character-lcd-display-module/lcd-16x1.html — (Дата обращения 24.12.2023).
- Сабунин, А. Е. Altium Designer. Новые решения в проектировании электронных устройств. Солон-Пресс, 2013.
